1. 引言
研究意义:在干旱缺水和蒸发量的大条件下,由于不合理灌溉与管理不当产生的可溶性盐类在地表积累造成土壤盐碱化及退化等现象[1]-[4]。新疆喀什灌区出现以下问题:1) 灌区周围高的洼地,排水不畅,在灌水季节抽地下水灌溉作物形式死循环利用地下水的现象,因此,地下水的矿化度日益剧增,导致土壤盐碱化;2) 整个灌区除了棉花采用滴灌外,其余的作物采用大水漫灌方法。部分灌区施肥量每年每亩地增加5 kg才保持稳产,肥料的一部分盐分溶于水中留在土壤中,另一部分盐分通过不同渠道下渗补给地下水,由于灌区周边高形成碗子形农田,排水不畅,采用大水漫灌之后,地下水易变成矿化度大的地下咸水,再抽地下咸水对作物进行灌溉,土壤盐碱化,导致作物绝产甚至死亡(如图1所示);3) 棉田在滴灌条件下盐分积累在湿润体边缘,使土壤盐碱化(如图2所示),为控制棉田盐分每年3次大水压盐;4) 连休闲的农田也开始盐碱化了(如图3所示);5) 地下咸水的检测结果表明:地下咸水的含盐量1000~3000 mg/L,pH = 7.0~10.2之间,且带苦涩味,因此也称咸水(矿化咸水、盐水或苦咸水),含盐量主要是
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等离子,硬度高[5]-[7]。上述5种结果进行分析可知:以地下咸水作为水源的条件下,常规的漫灌和滴灌方法都改为交换磁化水滴灌形式,可节约冲洗盐分的用水量,从而节水并减缓作物根区的返盐问题。[前人研究进展]国内外的许多学者研究处理咸水的方法,可归纳为化学方法、膜分离法、反渗透法、电渗析法、蒸馏淡化法、淡水压灌、淡水冲洗与抽取地下水相结合法、暗管排盐法、滤管法、电解法、垂排碱技术等措施,取得了引人瞩目的成果[8]-[10]。但是在滴灌条件下每年3次大水压盐,秋季一次大水压盐用水量为3000~4500 m3/hm2,甚至更多[11] [12]。[切入点]该文根据目前面临的土壤盐碱化、水资源短缺、地下水的矿化度逐渐增大等问题,以磁化水的渗透力强、降低土壤溶液中盐离子浓度的功能为切入点,对地下咸水滴灌与交换磁化水滴灌进行试验,解释交换磁化水滴灌对枸杞根区盐分的影响及节水效能。[拟解决的问题]根据土壤对水分的吸水能力,采用首先咸水湿润土壤后交换磁化水滴灌冲洗的方法[13] [14],将传统的大水漫灌和重复采用地下咸水滴灌方法改为交换磁化水滴灌形式,每年可节约3次的大水压盐用水量,减少下渗补给地下水的污染水量,并在滴灌条件下控制作物根区的返盐,有效控制和缓解喀什等洼地灌区地下水的逐年变成咸水化(或矿化度)的程度,为充分利用地下咸水,降低土壤盐分对作物的危害提供依据。
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Figure 1. Corn irrigation method
图1. 玉米灌水方式
Figure 2. Salinization of drip irrigation cotton fields
图2. 滴灌棉田的盐碱化
Figure 3. Salinization of leisure fields
图3. 休闲田的盐碱化
2. 材料与方法
2.1. 供试材料
试验在新疆农业大学实验室进行,室内的最高温度为22℃,最低温度为18℃。试验土来自喀什伽师县枸杞基地,土壤容重为1.25 g/cm3,土壤初始含水量6%,试验在宽、深、高度均为1.2 m的土箱内进行,取土深度为0~60 cm。土壤含水量采用烘干法,土壤容重采用环刀法,土样盐分采用溶液法。供试验的水样盐分为9.50 g/kg (离子总量),土样盐分如表1所示。
Table 1. Initial salinity of water and soil samples (g/kg)
表1. 水样和土样的盐分(g/kg)
 
  
    | 项目名称 | 离子名称 | pH |  |  |  |  |  |  |  | 盐分 | 横向盐分均值 | 
  
    | 水样的盐分 |  | 8.62 | 0.00 | 0.22 | 1.49 | 4.74 | 0.74 | 0.18 | 2.13 | 9.50 | 
  
    | 土样的盐分 | 0~10 cm | 8.35 | 0.00 | 0.16 | 1.11 | 6.19 | 1.00 | 0.07 | 2.47 | 11.00 | 1.83 | 
  
    | 10~20 cm | 8.44 | 0.00 | 0.22 | 1.03 | 6.60 | 1.62 | 0.11 | 2.85 | 12.43 | 2.07 | 
  
    | 20~30 cm | 8.56 | 0.00 | 0.14 | 0.95 | 7.99 | 0.62 | 0.14 | 3.51 | 13.35 | 2.23 | 
  
    | 30~40 cm | 8.58 | 0.00 | 0.22 | 1.26 | 3.83 | 0.72 | 0.10 | 1.72 | 7.85 | 1.31 | 
  
    | 40~50 cm | 8.75 | 0.00 | 0.21 | 1.71 | 2.35 | 0.33 | 0.07 | 1.80 | 6.47 | 1.08 | 
  
    | 50~60 cm | 8.46 | 0.00 | 0.12 | 1.06 | 3.10 | 0.59 | 0.24 | 1.07 | 6.18 | 1.03 | 
  
    | 土样纵向均值 | 8.54 | 0.00 | 0.18 | 1.19 | 5.01 | 0.81 | 0.12 | 2.24 | 9.55 | 1.59 | 
 2.2. 试验设备及试验方法
1) 试验设备。在地下矿化水灌水定额一定的条件下,试验采用的设备是自动化交换淋洗装置[15] [16]。该装置磁化水器的磁化强度为3000 mT,自动控制灌水时间和总灌水量的条件下,做全了地下咸水滴灌和磁化水交换滴灌的2种试验(如图4所示)。自动化装置由机电箱、继电器、时间继电器、控制阀(电磁阀)、调节阀(电磁阀)和磁化水器组成。继电器和时间继电器安装在机电箱内,继电器的一边与电源相连,另一边与控制阀和调节阀相连;流入支管的水用控制阀来控制(1号和2号电磁阀),控制阀控制总灌水量和灌水周期用,时间继电器控制滴水时间和滴水量。用继电器来检测时间继电器、电源开关及电磁阀的正常状况。1、支管的水通过1号控制阀流入1号毛管,全用地下咸水滴灌灌水6 h;2、支管的水通过2号控制阀流入2号毛管,全用地下咸水滴湿润2 h后自动关闭1号控调节阀,自动开启2号调节阀磁化水滴灌4 h,滴水规律如图5所示。
Figure 4. Experimental diagram
图4. 试验示意图
Figure 5. The water drop law of magnetized exchange irrigation
图5. 磁化交换灌的水滴水规律
2) 试验方法。该试验由两个部分组成:试验1是全用地下咸水滴灌方法;试验2是先用地下咸水湿润土壤2 h后交换磁化水滴灌4 h冲洗方法。分别做的2种试验结束后在湿润体脱盐范围内取土检测盐分的方法来解释2种试验方法对盐分的影响及节水效果。在滴头流量为3 L/h、滴水时间为6 h、灌水周期为6天、8次灌水的条件下进行试验(重复做一次)。灌水8次之后采用立即剖面法,湿润体的一半水平和垂直每10 cm取土检测盐分,另一半晾干7天后观察盐分反弹状况(如图6所示),图6中O点是滴头的位置,A是脱盐边界线,B是过渡区边界线,C是积盐边界线。以图6和湿润体检测盐分结果为依据,绘制湿润体盐分的剖面图(如图7所示)。结果表明:滴灌湿润体由脱盐区、过渡区和积盐区组成,其中过渡区和积盐区之和称之为积盐区。试验1和试验2的湿润体大小和晾干7天后观察的盐分反弹状况相似。
2.3. 数据测定方法
1) 湿润体盐分的检测。以土壤湿润体水盐的变化和剖面晒干7天后盐分反弹状况,湿润体离滴头水平和深度每10 cm取土检测盐分,取土深度为60 cm(如图6所示),由于检测盐分的点数和数据多,为清楚地解释植物根系发育范围内盐分的变化情况,选择检测盐分分析点的位置是非常重要。因此,采用以下简易的方法来选择检测盐分分析点的位置(如图6所示)。
2) 检测盐分分析点位置的选择。1、检测结果表明:湿润体随灌水次数的增多而变大,湿润体内盐分也向湿润体边缘方向运移(积累),湿润体脱盐边界线内的盐分逐渐降低,盐分积累在湿润体边缘;2、湿润体剖面晾干7天后盐分,滴头方向的反弹距为5 cm,湿润体内的盐分只反弹在过渡区内(如图6所示);3、由于研究植物类型的不同,植物根系的发育范围也不相同[17]-[19],因此,本试验以枸杞的根系为例,
Figure 6. Salt rebound after 7 days of sun drying
图6. 晒干7天后盐分反弹
Figure 7. Changes in water and salt content in moist bodies
图7. 湿润体水盐的变化
确定检测盐分点的位置:如宁夏1号枸杞垂直根系主要分布在20~40 cm的深度,水平根系主要分布在距树干0~14 cm的范围[20]。综合分析上述3种原因,以滴头为基点,湿润体水平距30 cm和深度60 cm盐分(8大离子)进行分析。在此基础上,以土样盐分及不同深度取土检测盐分的均值为依据,分别计算2种试验湿润体盐分的降低量及降低率,解释其磁化水交换滴灌对湿润体盐分的影响。
3. 结果与分析
3.1. 全用地下咸水滴灌对湿润体盐分的影响
土壤容重为1.25 g/cm3,土壤初始含水量6 %,全用地下咸水滴灌,滴水量为3 L/h,每次滴水时间为6 h,灌水周期为6天,灌水8次的条件下,以滴头为基点水平距30 cm处不同深度取土检测的盐分如表2所示。
Table 2. The detection value of salt content in wet soil using underground saline water drip irrigation (g/kg)
表2. 全用地下咸水滴灌湿润体盐分的检测值(g/kg)
 
  
    | 试验名称 | 离子名称 | PH |  |  |  |  |  |  |  | 盐分 | 横向盐分均值 | 
  
    | 全用地下咸水8次灌水后盐分的检测值 | 0~10 cm | 8.31 | 0.00 | 0.15 | 1.10 | 4.07 | 0.10 | 0.05 | 2.57 | 8.04 | 1.34 | 
  
    | 10~20 cm | 8.42 | 0.00 | 0.21 | 1.02 | 6.58 | 1.57 | 0.10 | 1.43 | 10.91 | 1.82 | 
  
    | 20~30 cm | 8.55 | 0.00 | 0.10 | 0.90 | 7.79 | 0.61 | 0.11 | 2.28 | 11.79 | 1.97 | 
  
    | 30~40 cm | 8.56 | 0.00 | 0.20 | 1.24 | 3.81 | 0.70 | 0.09 | 1.72 | 7.76 | 1.29 | 
  
    | 40~50 cm | 8.78 | 0.00 | 0.23 | 1.78 | 2.68 | 0.39 | 0.08 | 1.86 | 7.02 | 1.17 | 
  
    | 50~60 cm | 8.44 | 0.00 | 0.13 | 1.07 | 3.48 | 0.84 | 0.28 | 1.28 | 7.08 | 1.18 | 
  
    | 纵向盐分均值 | 8.51 | 0.00 | 0.17 | 1.19 | 4.74 | 0.70 | 0.12 | 1.86 | 8.77 | 1.46 | 
 表2进行分析可知:检测的盐分与原土初始盐分相比,全用咸水滴灌8次后土壤湿润体0~10 cm以内的盐分降低量很明显,土壤初始盐分垂线均值9.55 g/kg降到8.77 g/kg (表1和表2所示),降低量为0.78 g/kg。土壤深度为10~30 cm之间盐分的变化不大,但是垂线总盐分逐步降低的趋势。这表明土壤湿润体内盐分的降低量与灌水次数有关系,灌水次数多,湿润体盐分的降低量也多,反之相反。
3.2. 先用地下咸水湿润土壤后交换磁化水滴灌对湿润体盐分的影响
在滴水量、滴水时间、土壤容重和灌水周期不变的条件下,根据图5中的滴水规律滴灌,先用地下咸水滴水2 h后交换磁化水淋洗4 h,每次共滴水6 h、灌水8次后结束试验。以滴头为基点,水平距为30 cm处不同深度取土检测的盐分如表3所示。
对表3中盐分的变化纵向(或垂线)分析可知:对不同深度而言,表层土30 cm以上盐分的降低量较大,在40~50 cm之间的土层内盐分的降低量少,盐分从土深50 cm起逐步开始积累在湿润体边缘(表3所示)。
Table 3. Detection values of salt content in moist bodies irrigated with exchange magnetized water droplets (g/kg)
表3. 交换磁化水滴灌湿润体盐分的检测值(g/kg)
 
  
    | 试验名称 | 离子名称 | pH |  |  |  |  |  |  |  | 盐分 | 横向盐分均值 | 
  
    | 先用地下咸水滴水2 h后交换磁化水滴水4 h,灌水8次后含盐量的检测值 | 0~10 cm | 8.30 | 0.00 | 0.12 | 0.98 | 4.02 | 0.73 | 0.15 | 2.10 | 8.10 | 1.35 | 
  
    | 10~20 cm | 8.38 | 0.00 | 0.11 | 0.97 | 4.01 | 0.72 | 0.12 | 1.98 | 7.91 | 1.32 | 
  
    | 20~30 cm | 8.50 | 0.00 | 0.10 | 0.91 | 3.98 | 0.61 | 0.09 | 1.79 | 7.48 | 1.25 | 
  
    | 30~40 cm | 8.52 | 0.00 | 0.09 | 0.89 | 3.86 | 0.32 | 0.06 | 1.64 | 6.86 | 1.14 | 
  
    | 40~50 cm | 8.72 | 0.00 | 0.08 | 0.86 | 3.65 | 0.26 | 0.05 | 1.45 | 6.35 | 1.06 | 
  
    | 50~60 cm | 8.43 | 0.00 | 0.35 | 2.12 | 7.94 | 0.78 | 0.16 | 3.11 | 14.46 | 2.41 | 
  
    | 纵向盐分均值 | 8.48 | 0.00 | 0.14 | 1.12 | 4.58 | 0.57 | 0.11 | 2.01 | 8.53 | 1.42 | 
 3.3. 两种试验湿润体盐分的降低量
全用地下咸水灌和先用地下咸水湿润后交换磁化水滴灌的条件下,以滴头为基点,水平距为30 cm处不同深度盐分(60 cm平均值)的降低量及降低率如表4所示。其计算公式为:盐分的降低量 = 土样纵向初始盐分均值 − 滴灌处理后纵向盐分均值(数据来自表1、表2和表3的最后1行的值); 
Table 4. Reduction of salt content in wet body by drip irrigation with all underground salt water and exchange magnetized water (g/kg)
表4. 全用地下咸水和交换磁化水滴灌湿润体盐分的降低量(g/kg)
 
  
    | 试验名称 | 离子名称 | PH |  |  |  |  |  |  |  | 盐分 | 
  
    | 土样盐分 | 60 cm的平均值 | 8.54 | 0.00 | 0.18 | 1.19 | 5.01 | 0.81 | 0.12 | 2.24 | 9.55 | 
  
    | 全用地下咸水滴灌 | 60 cm的平均值 | 8.51 | 0.00 | 0.17 | 1.19 | 4.74 | 0.70 | 0.12 | 1.86 | 8.77 | 
  
    | 盐分降低量 | 60 cm的平均值 | 0.03 | 0.00 | 0.01 | 0.00 | 0.28 | 0.11 | 0.00 | 0.38 | 0.78 | 
  
    | 盐分降低率(%) | 60 cm的平均值 | 0.32 | 0.00 | 4.67 | 0.14 | 5.49 | 13.73 | 2.74 | 16.99 | 43.76 | 
  
    | 交换磁化水滴灌 | 60 cm的平均值 | 8.48 | 0.00 | 0.14 | 1.12 | 4.58 | 0.57 | 0.11 | 2.01 | 8.53 | 
  
    | 盐分降低量 | 60 cm的平均值 | 0.06 | 0.00 | 0.04 | 0.06 | 0.43 | 0.24 | 0.02 | 0.23 | 1.02 | 
  
    | 盐分降低率(%) | 60 cm的平均值 | 0.73 | 0.00 | 20.56 | 5.48 | 8.65 | 29.92 | 13.70 | 10.06 | 88.36 | 
 盐分的降低率 = (盐分的降低量 ÷ 土样初始盐分) × 100%。
表4进行分析可知:全用地下咸水灌水8次的条件下,在脱盐范围内盐分的降低量为0.78 g/kg,降低率为43.76%;先用地下咸水湿润土壤后交换磁化水冲洗时,脱盐范围内盐分的降低量为1.02 g/kg,降低率为88.36 %,这表明:交换磁化水滴灌的淋洗盐分效果显著。将传统的地下咸水滴灌方法改为交换磁化水滴灌形式时,减少下渗补给地下水的污染水量,并在滴灌条件下控制作物根区的返盐,为减缓地下水库的矿化度提供依据。试验结果表明盐分的各向运移不仅与土壤性质、土壤初始盐分、土壤容重及灌水次数有关,而且与水源盐分、土壤易溶盐及水的磁化程度也有密切的关系。
3.4. 全用地下水滴灌与交换磁化水滴灌对湿润体盐分的影响
1) 磁化处理前后土壤盐分均值的变化过程。在图8中的C曲线是用表1中最后一列的盐分均值绘制;B曲线是用表2中最后一列的盐分均值绘制;A曲线是用表3中最后1列的盐分均值绘制(如图8所示)。磁化水交换滴灌试验结果表明:湿润体内的盐分下渗积累在50 cm以下,淋洗盐分的效果显著。湿润体盐分的变化从横向分析可知:水平距为30 cm处的盐分排位:土样盐分 > 全用咸水滴灌盐分 > 交换磁化水滴灌(如图8所示)。交换磁化水滴灌可加快土壤盐分的各向运移,湿润体内的盐分逐步积累在湿润体边缘。
Figure 8. Changes in soil salinity before and after treatment
图8. 处理前后土壤盐分的变化过程线
2) 全用地下水滴灌与磁化水交换滴灌对枸杞根区盐分影响。采用表2的值绘制全用地下水滴灌对湿润体盐分的变化过程(如图9所示);用表3的值绘制磁化水交换滴灌对湿润体盐分的变化过程(如图10所示)。对图9和图10中湿润体盐分的各向运移分析可知:全用地下水滴灌与磁化水交换滴灌相比,磁化水交换滴灌淋洗
、
和
的效果显著,其余盐分也随灌水次数的增多而逐渐降低,逐渐累积在湿润体边缘,这表明磁化水交换滴灌方法起把枸杞根区内的盐分追压到根系发育范围之外的作用。
Figure 9. Effect of total groundwater irrigation on salinity
图9. 全用地下水灌水对盐分的影响
Figure 10. Effect of exchange magnetized water drip irrigation on salt content
图10. 交换磁化水滴灌对盐分的影响
4. 讨论
1) 结果表明:磁化水交换灌溉可以增强湿润体内盐分的淋洗,提高土壤盐分的淋洗效果[21] [22],该试验的研究结果与前人的研究结论一致。图9和图10对比可看出:磁化水交换滴灌的条件下,0~60 cm土层中
、
、
,
等盐离子明显下降,研究者卜东升等也证明磁化水灌溉时0~60 cm土层中
、
含量下降的趋势;Mostafazadeh等研究者的结论是磁化水灌溉对
淋洗效果很明显[22] [23]。采用全地下咸水进行滴灌时,0~60 cm的平均盐分
和
的变化比较明显,先用地下咸水湿润土壤后磁化水交换冲洗时,
、
和
的继续降低,此研究结果与上述前人研究的结论一致。水经磁化处理后,其湿润体内土壤的物理化学性质发生变化,同时可提高各种矿物盐的溶解能力,林仁荣教授的研究表明磁化水能提高水溶性
、
数量,提高土壤盐分的淋洗效果。试验结果表明:湿润体盐分0~60 cm内溶液随灌水次数的增加而降低,湿润体的盐分继续各向运移,该结论与林仁荣教授的研究结论一致[24]-[26]。
2) 不同试验的结果表明:当土壤松弛(土壤容重小)时,表层土的透气性较好,水分的渗透快,淋洗盐分的效果显著。当土壤颗粒级配均匀、易溶盐分多时,土壤盐分随水运移的速度加快;当土壤盐分大,水源盐分少时,土壤湿润体内盐分水平和垂直方向运移速度较快。该试验采取先用地下咸水湿润土壤后磁化水交换冲洗盐分的方法,节约灌水量,可降低下渗水量,为有效减缓地下水变成咸水的速率,充分利用咸水提供依据。
3) 滴灌的节水效果不仅与作物类型及栽种模式有关,而且栽种作物的地理位置也有密切的关系,如新疆山区灌水次数少,下游平原区灌水次数多,北方灌区降水量多,灌水次数少。当地枸杞的栽种模式为1.5 m × 1.5 m,每亩地栽种296棵,先用咸水湿润土壤后磁化水交换冲洗盐分的条件下,滴头流量为3 L/h,灌水8次时,经计算年灌水量639.4 m3/hm2,不需要压盐。在全用地下咸水滴灌条件下每年3次压盐,秋季一次冲洗盐分用水定额为3000~4500 m3/hm2,每年3次冲洗盐分用水量为9000~16,500 m3/hm2,磁化水交换滴灌每年可节约8360.6~12,860.6 m3/hm2水,节水效果显著。
5. 结论
1) 采用大水漫灌方法冲洗盐分的条件下,土壤本身的盐分和水源的盐分加之肥料的混合物所形成的水停留在排碱渠内或者下渗不同的渠道补给地下水,使地下水的矿化度逐渐增大,地下水易变成咸水,再抽地下咸水对作物进行灌溉不仅影响作物,而且加快土壤的盐碱化。
2) 滴灌的滴水量、灌水周期和灌水次数相等的条件下,湿润体的水平30 cm处不同深度盐分检测结果表明:全用地下咸水的湿润体内盐分降低量为0.78 g/kg,地下咸水与磁化水交换灌湿润体内盐分的降低量为1.02 g/kg (如表4所示)。湿润体内的盐分积累在湿润体边缘,并节省每年3次的冲洗盐分的用水量,磁化水交换滴灌的节水效果显著,减少补给地下水的水量,可减缓地下水变成咸水的速度。
3) 在磁化水交换滴灌的条件下可加快盐分的各向运移,土壤盐分各向的运移不仅与土壤性质、土壤初始盐分、土壤容重及灌水次数有关,而且与土壤易溶盐和水源的盐分多少及咸水的磁化程度也有密切的关系。
基金项目
地区基金项目“多环追压非等灌技术对盐碱地药用植物生理指标的影响机理及冲洗盐分定额研究”(3246130193);横向项目“于田县3.6万亩补充耕地入库”(6660939-2519HXKT1)。
NOTES
*第一作者。
#通讯作者。